Naukowcom z Instytutu Biomedycyny i Zdrowia w Kantonie udało się stworzyć chimeryczne zarodki zawierające kombinację komórek ludzkich i świńskich. Po przeniesieniu do matek zastępczych świń, rozwijające się humanizowane nerki miały normalną strukturę i tworzenie kanalików po 28 dniach. Po raz pierwszy naukowcom udało się wyhodować stały, humanizowany narząd w organizmie innego gatunku, chociaż w poprzednich badaniach stosowano podobne metody w celu wytworzenia ludzkich tkanek, takich jak krew czy mięśnie szkieletowe świń. Praca ukazała się 7 września w czasopiśmie Cell Stem Cell.
Naukowcy skupili się na nerkach, ponieważ są one jednym z pierwszych narządów, które się rozwijają, a także są najczęściej przeszczepianym narządem w medycynie człowieka.
„Narządy szczurów wytwarzano u myszy, a narządy myszy u szczurów, ale poprzednie próby wyhodowania narządów ludzkich u świń nie powiodły się” – mówi starszy autor Liangxue z Instytutu Biomedycyny i Zdrowia w Guangzhou Chińskiej Akademii Nauk. i Uniwersytet Wuyi. „Nasze podejście poprawia integrację komórek ludzkich z tkankami biorcy i pozwala nam hodować narządy ludzkie u świń”.
Integracja ludzkich komórek macierzystych z zarodkami świń stanowi wyzwanie, ponieważ komórki świń przewyższają komórki ludzkie, a komórki świń i ludzi mają różne potrzeby fizjologiczne. „Pracowaliśmy nad mechanizmami pozwalającymi przezwyciężyć wyjątkowo niską skuteczność chimer międzygatunkowych” – mówi starszy autor Guangjin Pan z Instytutów Biomedycyny i Zdrowia w Kantonie. „Zidentyfikowaliśmy kilka kluczowych czynników, które wzmagają tworzenie się chimer międzygatunkowych, ułatwiając konkurencję komórkową”.
Technika zespołu zależy od trzech kluczowych elementów:
Po pierwsze, stworzyli niszę w zarodku świni, aby komórki ludzkie nie musiały konkurować z komórkami świni, wykorzystując CRISPR do inżynierii genetycznej jednokomórkowego zarodka świni tak, aby brakowało mu dwóch genów niezbędnych do rozwoju nerek. Po drugie, badacze opracowali ludzkie pluripotencjalne komórki macierzyste – komórki, które mają potencjał przekształcenia się w komórki dowolnego typu – tak, aby uczynić je bardziej podatnymi na integrację i mniej podatnymi na samozniszczenie poprzez tymczasowe zatrzymanie apoptozy. Następnie przekształcili te komórki w „naiwne” komórki przypominające wczesne ludzkie komórki embrionalne, hodując je na specjalnym podłożu. Po trzecie, przed wszczepieniem rozwijających się zarodków lochom zastępczym naukowcy hodowali chimery w warunkach zoptymalizowanych pod kątem dostarczania unikalnych składników odżywczych i sygnałów zarówno komórkom ludzkim, jak i świńskim, ponieważ komórki te zwykle mają odmienne potrzeby.
W sumie badacze przekazali 1820 zarodków 13 matkom zastępczym. Po 25 lub 28 dniach przerwano ciążę i pobrano zarodki, aby ocenić, czy chimerom udało się wyprodukować humanizowane nerki.
Naukowcy pobrali do analizy pięć chimerycznych zarodków (dwa po 25 dniach i trzy po 28 dniach od implantacji) i odkryli, że miały one strukturalnie normalne nerki jak na swój etap rozwoju i składały się z 50–60% komórek ludzkich. Po 25–28 dniach nerki znajdowały się w stadium śródnercza (drugi etap rozwoju nerek); utworzyły kanaliki i zawiązki komórek, które ostatecznie stały się moczowodami łączącymi nerkę z pęcherzem.
Zespół zbadał także, czy komórki ludzkie przyczyniają się do budowy innych tkanek w embrionach, co może mieć konsekwencje etyczne, zwłaszcza jeśli w tkankach nerwowych lub liniach zarodkowych wykryto liczne komórki ludzkie, a świnie doprowadzono do porodu. Wykazali, że komórki ludzkie były zlokalizowane głównie w nerkach, podczas gdy pozostała część zarodka składała się z komórek świni.
„Odkryliśmy, że jeśli utworzy się niszę w zarodku świni, komórki ludzkie w naturalny sposób przedostaną się do tych przestrzeni” – mówi starszy autor Zhen Dai z Instytutu Biomedycyny i Zdrowia w Kantonie. „Zaobserwowaliśmy jedynie bardzo niewiele ludzkich komórek nerwowych w mózgu i rdzeniu kręgowym oraz żadnych komórek ludzkich w grzbiecie narządów płciowych, co wskazuje, że ludzkie pluripotencjalne komórki macierzyste nie różnicowały się w komórki rozrodcze”. Można temu dodatkowo zapobiegać poprzez wybijanie kolejnych genów w ludzkich pluripotencjalnych komórkach macierzystych, co będzie można przetestować w przyszłych badaniach – twierdzą naukowcy.
Teraz, gdy stworzono optymalne warunki do hodowli humanizowanych nerek u chimer ludzko-świńskich, zespół chce umożliwić nerkom dłuższy rozwój. Pracują także nad wytworzeniem innych narządów ludzkich u świń, w tym serca i trzustki.
Celem długoterminowym jest optymalizacja tej technologii pod kątem przeszczepiania narządów ludzkich, jednak naukowcy przyznają, że praca będzie złożona i może zająć wiele lat. Wyhodowanie w pełni funkcjonalnego humanizowanego narządu u świni wymagałoby kilku dodatkowych etapów, ponieważ narządy składają się z wielu typów komórek i tkanek. W tym badaniu naukowcy stworzyli niszę tylko dla jednego podzbioru komórek, co oznaczało, że w nerkach znajdują się komórki naczyniowe pochodzące od świni, co może spowodować odrzucenie narządu, jeśli zostanie zastosowany w scenariuszu przeszczepu.
„Ponieważ narządy nie składają się z tylko jednej linii komórkowej, aby uzyskać narząd, w którym wszystko pochodzi od człowieka, prawdopodobnie musielibyśmy konstruować świnie w znacznie bardziej złożony sposób, co również wiąże się z dodatkowymi wyzwaniami” – mówi starszy autor Miguel A. Esteban z Instytutów Biomedycyny i Zdrowia w Kantonie.
W międzyczasie technologię tę można by wykorzystać do badania rozwoju narządów ludzkich i chorób rozwojowych.
„Zanim dojdziemy do późnego etapu tworzenia narządów, które będą mogły trafić do praktyki klinicznej, metoda ta zapewni okazję do badania rozwoju człowieka” – mówi Esteban. „Możesz prześledzić wstrzyknięte komórki ludzkie i manipulować nimi, aby móc badać choroby i powstawanie linii komórkowych”.